EP2949575A1 - Antriebssystem eines Schiffes und dessen Betrieb - Google Patents

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EP2949575A1
EP2949575A1 EP14170374.4A EP14170374A EP2949575A1 EP 2949575 A1 EP2949575 A1 EP 2949575A1 EP 14170374 A EP14170374 A EP 14170374A EP 2949575 A1 EP2949575 A1 EP 2949575A1
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EP
European Patent Office
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drive
ship
energy
determined
exhaust gases
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14170374.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Radebold
Kay Tigges
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Priority to EP15719207.1A priority patent/EP3126221B1/de
Priority to DK15719207.1T priority patent/DK3126221T3/en
Priority to CN201580027747.9A priority patent/CN106458311B/zh
Priority to PCT/EP2015/059034 priority patent/WO2015180905A1/de
Priority to KR1020167036662A priority patent/KR101949573B1/ko
Priority to ES15719207T priority patent/ES2703982T3/es
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a drive system of a ship with at least one drive combustion engine for driving the ship and an energy recovery device for obtaining electrical energy from exhaust gases of at least one drive combustion engine. Furthermore, the invention relates to a method for operating such a drive system.
  • Energy harvesting devices for recovering electrical energy from exhaust gases from marine propulsion engines are currently operating in a manner designed to maximize power output.
  • the recovered energy is electrically fed into the electrical system and then fed back the corresponding excess power via an electric motor to the drive shaft.
  • An internal combustion engine system with exhaust gas energy recovery for floating equipment eg for ships and offshore platforms, is for example out WO 2010/088980 A1 known.
  • the invention has for its object to provide an improved propulsion system of a ship with at least one drive combustion engine to drive the ship and an energy recovery device for obtaining electrical energy from exhaust gases of at least one drive combustion engine. Furthermore, the invention has for its object to provide an improved method for operating such a drive system.
  • a propulsion system according to the invention of a ship comprises at least one drive combustion engine for propulsion of the ship and an energy harvesting device for the production of electrical energy from exhaust gases of at least one drive combustion engine.
  • the drive system is designed to use recovered electrical energy from exhaust gases either to drive the ship or feed it into an electrical system of the ship or share to drive the ship to use and feed into the electrical system of the ship.
  • auxiliary diesel auxiliary combustion engines
  • propulsion of the ship by a drive combustion engine can be supported by recovered electrical energy from exhaust gases, but the recovered electrical energy from exhaust gases can be used to drive of the ship and the power supply of the electrical system are distributed, that the operating costs are minimized. This allows an efficient and optimized use of recovered electrical energy from exhaust gases.
  • An embodiment of the invention provides at least one drive electric motor for driving the ship, wherein the drive electric motor is driven by recovered electrical energy from exhaust gases.
  • a further embodiment of the aforementioned embodiment of the invention provides at least one accumulator for at least one drive electric motor, it being possible to store recovered electrical energy from exhaust gases by means of the accumulator.
  • the recovered electrical energy from exhaust gases can be used even more flexibly and efficiently by being stored by the accumulator when it is not or not completely needed at the moment.
  • a further embodiment of the invention provides at least one designed as a two-stroke diesel engine drive engine for propulsion of the ship.
  • Two-stroke diesel engines are due to their high efficiency compared to other combustion engines particularly advantageous for propulsion of ships, since ships offer only a limited capacity for fuel storage.
  • an instantaneous drive energy requirement for the propulsion of the ship, an instantaneous on-board energy requirement for the ship's electrical system and the currently obtained electrical energy from exhaust gases are determined. Furthermore, operating costs for the coverage of the determined drive energy requirement and the determined on-board energy demand are determined using the recovered electrical energy from exhaust gases and depending on a proportionate distribution of the recovered electrical energy from exhaust gases to cover the determined drive energy demand and the determined on-board energy demand. The recovered electrical energy from exhaust gases is in proportion to the determined operating costs to cover the determined Drive energy demand and the determined on-board energy needs used.
  • the invention thus advantageously makes it possible to use the electrical energy from exhaust gases obtained in the operating costs, in which the electrical energy obtained from exhaust gases is used as a function of operating costs and proportionately to cover the determined drive energy requirement and the determined on-board energy demand.
  • the recovered electrical energy from exhaust gases as a function of the determined operating costs is preferably used so proportionately to cover the determined drive energy demand and the determined on-board power demand that the operating costs are minimized.
  • the operating costs are preferably determined by including a specific fuel consumption of the at least one drive combustion engine.
  • the specific fuel consumption of an internal combustion engine is defined as the ratio of the fuel consumption per unit time and the output mechanical power of the internal combustion engine. It is a measure of the efficiency of the internal combustion engine and depends on the operating point of the internal combustion engine.
  • the operating costs are preferably determined taking into account a specific fuel consumption of at least one auxiliary combustion engine for the energy supply of the electrical system.
  • auxiliary diesel auxiliary combustion engines
  • a further embodiment of the invention provides that the operating costs, including maintenance costs for at least one auxiliary combustion engine for the energy supply of the vehicle electrical system, are determined based on the work performed by the auxiliary combustion engine.
  • This embodiment of the invention advantageously takes account of the fact that the maintenance costs for an auxiliary combustion engine depend on its work performed, and also incorporates these maintenance costs for the optimized utilization of the recovered electrical energy from exhaust gases.
  • An inventive energy supply system of a ship comprises an electrical system, an inventive drive system and a control unit for determining a proportionate use of the recovered electrical energy from exhaust gases for driving the ship and for feeding into the electrical system.
  • the energy supply system preferably also has at least one auxiliary combustion engine for supplying power to the electrical system.
  • a method according to the invention for operating such an energy supply system accordingly provides that the drive system is operated in accordance with the method according to the invention for operating a drive system according to the invention.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a power supply system 1 and other associated functional units of a ship.
  • the power supply system 1 includes a drive engine 3, a vehicle electrical system 5, a plurality of auxiliary combustion engines 7, an energy harvesting device 9, and a control unit 11.
  • the drive engine 3 is formed as a two-stroke diesel engine for propelling the ship via a propeller shaft 13.
  • the auxiliary combustion engines 7 are each designed as a diesel engine (so-called "auxiliary diesel") for supplying power to the electrical system 5.
  • auxiliary diesel a diesel engine
  • the auxiliary combustion engines 7 each drive an auxiliary generator.
  • the auxiliary combustion engines 7 are maintained by means of maintenance means 15.
  • the energy harvesting device 9 is configured to extract electric energy from exhaust gases of the engine combustion engine 3.
  • the energy supply system 1, for example, in a known manner to a driven by exhaust gases of the drive combustion engine 3 exhaust gas turbine and a driven by the exhaust turbine power generation generator.
  • the energy supply system 1 is adapted to use by means of the energy recovery device 9 obtained electrical energy from exhaust gases either to drive the ship or feed into an electrical system of the ship or share to drive the ship and feed it into the electrical system of the ship.
  • the propulsion system of the ship has a drive electric motor (not shown), by means of which the propeller shaft 13 can be driven and can be driven by exhaust gas from recovered electrical energy.
  • the drive engine 3 and the drive electric motor thus form a hybrid drive of the ship.
  • this drive electric motor is also operable as a generator, so that it can be used to generate electrical energy when it is not used to drive the ship.
  • control unit 11 By means of the control unit 11 is determined in a manner described below, as the means of the energy recovery device 9 recovered electrical energy from exhaust gases to drive the ship and to feed into the electrical system 5 is divided.
  • the control unit 11 is in particular a momentary target speed 17 of the ship transmitted.
  • an instantaneous drive energy demand for the propulsion of the ship as a function of the current target speed 17, a current on-board power demand for the electrical system 5 and the currently obtained electrical energy from exhaust gases are determined.
  • the control unit 11 determines from this information operating costs for the coverage of the determined drive energy demand and the determined on-board energy demand using the obtained electrical energy from exhaust gases and depending on a proportionate distribution of the recovered electrical energy from exhaust gases to meet the determined drive energy demand and the determined on-board energy demand.
  • the proportionate distribution of the recovered electrical energy from exhaust gases to cover the determined drive energy demand and the determined on-board power demand is determined by the control unit 11 such that these operating costs are minimized.
  • a specific fuel consumption of the engine 3 and the auxiliary combustion engine 7, as well as maintenance costs for the auxiliary combustion engine 7 are considered in relation to the work performed by the auxiliary combustion engines 7.
  • Exhaust gas resulting load request to the drive engine 3 is determined and transmitted to a main drive controller 21 of the ship, by means of which the drive combustion engine 3 is controlled or regulated accordingly.
  • the determined proportionate distribution of the recovered electrical energy from exhaust gases of a switchgear 23 is transmitted, by means of which the drive electric motor and the auxiliary combustion engines 7 are controlled or regulated accordingly.
  • data determined by the control unit 11 are also transmitted to the navigation system 19.
  • an instantaneous fuel consumption is optionally determined by the control unit 11 and transmitted to a display unit 25 for displaying the fuel consumption.
  • FIG. 2 diagrammatically shows a typical specific fuel consumption C of a propulsion combustion engine 3 of a ship and a speed V of the ship, respectively depending on an engine power P of the engine 3 for the case that the ship alone by the drive engine 3, ie without additional use of electrical energy obtained Exhaust gases is driven.
  • the specific fuel consumption C and the speed V are shown in arbitrary units, and the engine output P is expressed in percentage relative to a design power of the engine 3 for the drive.
  • V 0 denotes a design speed to which the engine drive motor 3 is designed so that an engine output P is 90% of the design power of the drive combustion engine 3 corresponds to the design speed V 0 .
  • the specific fuel consumption C in the illustrated example assumes a minimum at an engine power P of 75% of the design power of the engine combustion engine 3.
  • the invention therefore provides in particular, that portion of electrical energy obtained from exhaust gases, which is used to drive the Ship is used to set such that thereby in the operation at the design speed V 0, the savings potential .DELTA.C of the specific fuel consumption C is at least partially realized, as far as this reduces operating costs. The same applies to operation at other speeds V.
  • the invention thus aims in particular at a reduction of the specific fuel consumption C of the drive combustion engine 3 by a corresponding support of the drive combustion engine 3 by the drive electric motor driven with exhaust gas generated electric power, as far as this reduces the operating costs.
  • the specific fuel consumption C of the engine 3 is taken into consideration for determining the distribution of the obtained electric energy from exhaust gases, but further factors affecting the operation cost are taken into consideration such as a specific fuel consumption C of the auxiliary combustion engines 7 and maintenance costs for the engine Auxiliary combustion engines 7 based on the work done by them.
  • the savings potential .DELTA.C of the specific fuel consumption C of the drive combustion engine 3 is not always or only partially realized as a function of the speed, if this is due to the further factors taken into account with respect to the minimization of operating costs is advantageous, see also FIG. 3 and their description.
  • FIG. 3 shows diagrammatically and by way of example a specific fuel consumption C of a drive combustion engine 3 of a ship without using recovered electric energy from exhaust gases for propulsion of the ship and a specific fuel consumption C 1 of the drive combustion engine 3 with an additional use of recovered electrical energy from exhaust gases to propel the ship and a drive power P 1 , which is provided by the drive internal combustion engine 3 and the electric power generated by exhaust gases driven drive electric motor together, respectively, depending on an engine power P of the drive combustion engine 3.
  • the engine power P is as in FIG. 2 expressed in percent relative to a design performance of the drive combustion engine 3.
  • the specific fuel consumption C, C 1 is indicated in the unit g / kWh
  • the drive power P 1 is indicated in the unit MW.
  • recovered electrical energy from exhaust gases is only used from an engine power P of 50% of the design power for propulsion of the ship, since at lower engine power P use of electrical energy obtained from exhaust gases to drive the ship due to low energy yield no operating costs minimization. Therefore, at engine powers P smaller than 50% of the design power, the ship is driven only by the engine 3 so that the specific fuel consumptions C, C 1 match those engine outputs P.

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Abstract

Antriebssystem eines Schiffes und ein Verfahren zum Betrieb des Antriebssystems. Das Antriebssystem umfasst wenigstens einen Antriebsverbrennungsmotor (3) zum Antrieb des Schiffes und eine Energiegewinnungsvorrichtung (9) zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Abgasen wenigstens eines Antriebsverbrennungsmotors. Das Antriebssystem ist dazu ausgebildet, gewonnene elektrische Energie aus Abgasen wahlweise zum Antrieb des Schiffes zu nutzen oder in ein elektrisches Bordnetz (5) des Schiffes einzuspeisen oder anteilig zum Antrieb des Schiffes zu nutzen und in das Bordnetz des Schiffes einzuspeisen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem eines Schiffes mit wenigstens einem Antriebsverbrennungsmotor zum Antrieb des Schiffes und einer Energiegewinnungsvorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Abgasen wenigstens eines Antriebsverbrennungsmotors. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Antriebssystems.
  • Energiegewinnungsvorrichtungen zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Abgasen von Antriebsverbrennungsmotoren von Schiffen werden zurzeit in einer Weise betrieben, die auf größtmögliche Leistungsausbeute angelegt ist. Dabei wird die rückgewonnene Energie elektrisch in das Bordnetz eingespeist und dann die entsprechende Überschussleistung über einen Elektromotor auf die Antriebswelle zurückgespeist.
  • Eine Verbrennungskraftmaschinenanlage mit Abgasenergierückgewinnung für schwimmende Einrichtungen, z.B. für Schiffe und Offshore-Plattformen, ist beispielsweise aus WO 2010/088980 A1 bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Antriebssystem eines Schiffes mit wenigstens einem Antriebsverbrennungsmotor zum Antrieb des Schiffes und einer Energiegewinnungsvorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Abgasen wenigstens eines Antriebsverbrennungsmotors anzugeben. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines derartigen Antriebssystems anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Antriebssystems durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein erfindungsgemäßes Antriebssystem eines Schiffes umfasst wenigstens einen Antriebsverbrennungsmotor zum Antrieb des Schiffes und eine Energiegewinnungsvorrichtung zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Abgasen wenigstens eines Antriebsverbrennungsmotors. Das Antriebssystem ist dazu ausgebildet, gewonnene elektrische Energie aus Abgasen wahlweise zum Antrieb des Schiffes zu nutzen oder in ein elektrisches Bordnetz des Schiffes einzuspeisen oder anteilig zum Antrieb des Schiffes zu nutzen und in das Bordnetz des Schiffes einzuspeisen.
  • Die wahlweise und anteilige Nutzbarkeit gewonnener elektrischer Energie aus Abgasen zum Antrieb des Schiffes und zur Einspeisung gewonnener elektrischer Energie aus Abgasen in das Bordnetz ermöglicht dabei vorteilhaft eine hinsichtlich der Betriebskosten optimierte Nutzung der gewonnenen elektrischen Energie aus Abgasen gemäß dem unten beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren. Dadurch können durch gewonnene elektrische Energie aus Abgasen nicht nur die Energieversorgung des Bordnetzes durch Hilfsverbrennungsmotoren (so genannte "Hilfsdiesel") und/oder der Antrieb des Schiffes durch einen Antriebsverbrennungsmotor unterstützt werden, sondern die gewonnene elektrische Energie aus Abgasen kann derart auf die Nutzung zum Antrieb des Schiffes und die Energieversorgung des Bordnetzes verteilt werden, dass die Betriebskosten minimiert werden. Dies ermöglicht eine effiziente und optimierte Nutzung gewonnener elektrischer Energie aus Abgasen.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht wenigstens einen Antriebselektromotor zum Antrieb des Schiffes vor, wobei der Antriebselektromotor durch gewonnene elektrische Energie aus Abgasen antreibbar ist.
  • Dies ermöglicht vorteilhaft die Nutzung gewonnener elektrischer Energie aus Abgasen zum Antrieb des Schiffes, wobei wenigstens ein Antriebsverbrennungsmotor und wenigstens ein durch gewonnene elektrische Energie aus Abgasen antreibbarer Antriebselektromotor einen Hybridantrieb des Schiffes bilden.
  • Eine Weitergestaltung der vorgenannten Ausgestaltung der Erfindung sieht wenigstens einen Akkumulator für wenigstens einen Antriebselektromotor vor, wobei gewonnene elektrische Energie aus Abgasen mittels des Akkumulators speicherbar ist.
  • Dadurch kann die gewonnene elektrische Energie aus Abgasen noch flexibler und effizienter genutzt werden, indem sie mittels des Akkumulators gespeichert wird, wenn sie momentan nicht oder nicht vollständig benötigt wird.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht wenigstens einen als Zweitakt-Dieselmotor ausgebildeten Antriebsverbrennungsmotor zum Antrieb des Schiffes vor.
  • Zweitakt-Dieselmotoren eignen sich aufgrund ihres im Vergleich zu anderen Verbrennungsmotoren hohen Wirkungsgrades besonders vorteilhaft zum Antrieb von Schiffen, da Schiffe nur eine begrenzte Kapazität für eine Kraftstofflagerung bieten.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Antriebssystems werden ein momentaner Antriebsenergiebedarf für den Antrieb des Schiffes, ein momentaner Bordnetzenergiebedarf für das Bordnetz des Schiffes und die momentan gewonnene elektrische Energie aus Abgasen ermittelt. Ferner werden Betriebskosten für die Deckung des ermittelten Antriebsenergiebedarfs und des ermittelten Bordnetzenergiebedarfs unter Verwendung der gewonnenen elektrischen Energie aus Abgasen und in Abhängigkeit von einer anteiligen Aufteilung der gewonnenen elektrischen Energie aus Abgasen zur Deckung des ermittelten Antriebsenergiebedarfs und des ermittelten Bordnetzenergiebedarfs ermittelt. Die gewonnene elektrische Energie aus Abgasen wird in Abhängigkeit von den ermittelten Betriebskosten anteilig zur Deckung des ermittelten Antriebsenergiebedarfs und des ermittelten Bordnetzenergiebedarfs verwendet.
  • Die Erfindung ermöglicht damit vorteilhaft eine die Betriebskosten berücksichtigende Nutzung gewonnener elektrischer Energie aus Abgasen, bei der die gewonnene elektrische Energie aus Abgasen betriebskostenabhängig und anteilig zur Deckung des ermittelten Antriebsenergiebedarfs und des ermittelten Bordnetzenergiebedarfs verwendet wird.
  • Dabei wird die gewonnene elektrische Energie aus Abgasen in Abhängigkeit von den ermittelten Betriebskosten vorzugsweise derart anteilig zur Deckung des ermittelten Antriebsenergiebedarfs und des ermittelten Bordnetzenergiebedarfs verwendet, dass die Betriebskosten minimiert werden.
  • Die Minimierung der Betriebskosten ermöglicht vorteilhaft eine optimale Nutzung der gewonnenen elektrischen Energie aus Abgasen.
  • Die Betriebskosten werden dabei vorzugsweise unter Einbeziehung eines spezifischen Kraftstoffverbrauchs des wenigstens einen Antriebsverbrennungsmotors ermittelt.
  • Der spezifische Kraftstoffverbrauch eines Verbrennungsmotors ist als das Verhältnis des Kraftstoffverbrauchs pro Zeiteinheit und der abgegebenen mechanischen Leistung des Verbrennungsmotors definiert. Er ist ein Maß für die Effizienz des Verbrennungsmotors und hängt von dem Arbeitspunkt des Verbrennungsmotors ab. Durch die Berücksichtigung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs des Antriebsverbrennungsmotors bei der Ermittlung der Betriebskosten wird vorteilhaft der arbeitspunktabhängige Kraftstoffverbrauch des Antriebsverbrennungsmotors zur optimierten Nutzung der gewonnenen elektrischen Energie aus Abgasen berücksichtigt. Insbesondere kann dadurch der Kraftstoffverbrauch des Schiffes reduziert und optimiert werden.
  • Ferner werden die Betriebskosten vorzugsweise unter Einbeziehung eines spezifischen Kraftstoffverbrauchs wenigstens eines Hilfsverbrennungsmotors zur Energieversorgung des Bordnetzes ermittelt.
  • Damit wird auch der arbeitspunktabhängige Kraftstoffverbrauch von Hilfsverbrennungsmotoren ("Hilfsdiesel") bei der Ermittlung der Betriebskosten und der Nutzung der gewonnenen elektrischen Energie aus Abgasen berücksichtigt. Dies ermöglicht vorteilhaft eine noch effizientere Nutzung der gewonnenen elektrischen Energie aus Abgasen und eine weitere Reduzierung und Optimierung des Kraftstoffverbrauchs des Schiffes.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Betriebskosten unter Einbeziehung von Wartungskosten für wenigstens einen Hilfsverbrennungsmotor zur Energieversorgung des Bordnetzes bezogen auf die von dem Hilfsverbrennungsmotor geleistete Arbeit ermittelt werden.
  • Diese Ausgestaltung der Erfindung berücksichtigt vorteilhaft, dass die Wartungskosten für einen Hilfsverbrennungsmotor von dessen geleisteter Arbeit abhängen, und bezieht auch diese Wartungskosten zur optimierten Nutzung der gewonnenen elektrischen Energie aus Abgasen ein.
  • Ein erfindungsgemäßes Energieversorgungssystem eines Schiffes umfasst ein Bordnetz, ein erfindungsgemäßes Antriebssystem und eine Steuereinheit zur Ermittlung einer anteiligen Nutzung der gewonnenen elektrischen Energie aus Abgasen zum Antrieb des Schiffes und zur Einspeisung in das Bordnetz. Vorzugsweise weist das Energieversorgungssystem ferner wenigstens einen Hilfsverbrennungsmotor zur Energieversorgung des Bordnetzes auf.
  • Die Vorteile eines derartigen Energieversorgungssystems eines Schiffes ergeben sich aus den oben genannten Vorteilen eines erfindungsgemäßen Antriebssystems.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines derartigen Energieversorgungssystems sieht dementsprechend vor, dass das Antriebssystem gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Antriebssystems betrieben wird.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
    • FIG 1
    ein Blockdiagramm eines Energieversorgungssystems und damit verbundene Einheiten eines Schiffes,
    FIG 2
    diagrammatisch einen spezifischen Kraftstoffverbrauch eines Antriebsverbrennungsmotors eines Schiffes und eine Geschwindigkeit des Schiffes in Abhängigkeit von einer Motorleistung des Antriebsverbrennungsmotors, und
    FIG 3
    diagrammatisch einen spezifischen Kraftstoffverbrauch eines Antriebsverbrennungsmotors eines Schiffes ohne und mit einer zusätzlicher Verwendung gewonnener elektrischer Energie aus Abgasen zum Antrieb des Schiffes und eine Antriebsleistung in Abhängigkeit von einer Motorleistung des Antriebsverbrennungsmotors.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Figur 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Energieversorgungssystems 1 und weitere damit verbundene Funktionseinheiten eines Schiffes. Das Energieversorgungssystem 1 umfasst einen Antriebsverbrennungsmotor 3, ein elektrisches Bordnetz 5, mehrere Hilfsverbrennungsmotoren 7, eine Energiegewinnungsvorrichtung 9 und eine Steuereinheit 11.
  • Der Antriebsverbrennungsmotor 3 ist als ein Zweitakt-Dieselmotor zum Antrieb des Schiffes über eine Propellerwelle 13 ausgebildet.
  • Die Hilfsverbrennungsmotoren 7 sind jeweils als ein Dieselmotor (so genannter "Hilfsdiesel") zur Energieversorgung des Bordnetzes 5 ausgebildet. Dazu treiben die Hilfsverbrennungsmotoren 7 jeweils einen Hilfsgenerator an. Die Hilfsverbrennungsmotoren 7 werden mittels Wartungsmitteln 15 gewartet.
  • Die Energiegewinnungsvorrichtung 9 ist zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Abgasen des Antriebsverbrennungsmotors 3 ausgebildet. Dazu weist die Energieversorgungssystem 1 beispielsweise in bekannter Weise eine durch Abgase des Antriebsverbrennungsmotors 3 antreibbare Abgasturbine und einen von der Abgasturbine antreibbaren Energiegewinnungsgenerator auf.
  • Das Energieversorgungssystem 1 ist dazu ausgebildet, mittels der Energiegewinnungsvorrichtung 9 gewonnene elektrische Energie aus Abgasen wahlweise zum Antrieb des Schiffes zu nutzen oder in ein elektrisches Bordnetz des Schiffes einzuspeisen oder anteilig zum Antrieb des Schiffes zu nutzen und in das Bordnetz des Schiffes einzuspeisen. Um gewonnene elektrische Energie aus Abgasen ganz oder anteilig zum Antrieb des Schiffes zu nutzen, weist das Antriebssystem des Schiffes einen (nicht dargestellten) Antriebselektromotor auf, mittels dessen die Propellerwelle 13 antreibbar ist und der durch gewonnene elektrische Energie aus Abgasen antreibbar ist. Der Antriebsverbrennungsmotor 3 und der Antriebselektromotor bilden somit einen Hybridantrieb des Schiffes. Vorzugsweise ist dieser Antriebselektromotor auch als Generator betreibbar, so dass er zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden kann, wenn er nicht zum Antrieb des Schiffes genutzt wird.
  • Mittels der Steuereinheit 11 wird in einer im Folgenden beschriebenen Weise ermittelt, wie die mittels der Energiegewinnungsvorrichtung 9 gewonnene elektrische Energie aus Abgasen zum Antrieb des Schiffes und zur Einspeisung in das Bordnetz 5 aufgeteilt wird. Der Steuereinheit 11 wird dazu insbesondere eine momentane Sollgeschwindigkeit 17 des Schiffes übermittelt. Ferner werden der Steuereinheit 11 für die Energieversorgung relevante Daten eines Navigationssystems 19 des Schiffes, beispielsweise zu einer Wettersituation, übermittelt.
  • Um die Aufteilung der gewonnenen elektrischen Energie aus Abgasen zu bestimmen, werden ein momentaner Antriebsenergiebedarf für den Antrieb des Schiffes in Abhängigkeit von der momentanen Sollgeschwindigkeit 17, ein momentaner Bordnetzenergiebedarf für das Bordnetz 5 und die momentan gewonnene elektrische Energie aus Abgasen ermittelt.
  • Die Steuereinheit 11 ermittelt aus diesen Informationen Betriebskosten für die Deckung des ermittelten Antriebsenergiebedarfs und des ermittelten Bordnetzenergiebedarfs unter Verwendung der gewonnenen elektrischen Energie aus Abgasen und in Abhängigkeit von einer anteiligen Aufteilung der gewonnenen elektrischen Energie aus Abgasen zur Deckung des ermittelten Antriebsenergiebedarfs und des ermittelten Bordnetzenergiebedarfs. Die anteilige Aufteilung der gewonnenen elektrischen Energie aus Abgasen zur Deckung des ermittelten Antriebsenergiebedarfs und des ermittelten Bordnetzenergiebedarfs wird von der Steuereinheit 11 derart ermittelt, dass diese Betriebskosten minimiert werden.
  • Bei der Ermittlung der Betriebskosten werden dabei insbesondere ein spezifischer Kraftstoffverbrauch des Antriebsverbrennungsmotors 3 und der Hilfsverbrennungsmotoren 7 sowie Wartungskosten für die Hilfsverbrennungsmotoren 7 bezogen auf die von den Hilfsverbrennungsmotoren 7 geleistete Arbeit berücksichtigt.
  • Von der Steuereinheit 11 wird die sich aus der ermittelten anteiligen Aufteilung der gewonnenen elektrischen Energie aus Abgasen ergebende Lastanforderung an den Antriebsverbrennungsmotor 3 ermittelt und an eine Hauptantriebssteuerung 21 des Schiffes übermittelt, mittels derer der Antriebsverbrennungsmotor 3 entsprechend gesteuert oder geregelt wird.
  • Ferner wird die ermittelte anteilige Aufteilung der gewonnenen elektrischen Energie aus Abgasen einer Schaltanlage 23 übermittelt, mittels derer der Antriebselektromotor und die Hilfsverbrennungsmotoren 7 entsprechend gesteuert oder geregelt werden.
  • Optional werden von der Steuereinheit 11 ermittelte Daten außerdem an das Navigationssystem 19 übermittelt.
  • Ferner wird von der Steuereinheit 11 optional ein momentaner Kraftstoffverbrauch ermittelt und an eine Anzeigeeinheit 25 zur Anzeige des Kraftstoffverbrauchs übermittelt. Dabei kann optional auch eine Kraftstoffersparnis gegenüber dem Antrieb des Schiffes allein durch den Antriebsverbrennungsmotor 3, d. h. ohne zusätzliche Verwendung von gewonnener elektrischer Energie aus Abgasen zum Antrieb des Schiffes, ermittelt und angezeigt werden.
  • Figur 2 zeigt diagrammatisch einen typischen spezifischen Kraftstoffverbrauch C eines Antriebsverbrennungsmotors 3 eines Schiffes und eine Geschwindigkeit V des Schiffes jeweils in Abhängigkeit von einer Motorleistung P des Antriebsverbrennungsmotors 3 für den Fall, dass das Schiff allein durch den Antriebsverbrennungsmotor 3, d. h. ohne zusätzliche Verwendung von gewonnener elektrischer Energie aus Abgasen angetrieben wird. Dabei sind der spezifische Kraftstoffverbrauch C und die Geschwindigkeit V in beliebigen Einheiten dargestellt und die Motorleistung P ist prozentual im Verhältnis zu einer Auslegungsleistung des Antriebsverbrennungsmotors 3 angegeben. V0 bezeichnet eine Auslegungsgeschwindigkeit, auf die der Antriebsverbrennungsmotor 3 ausgelegt ist, so dass eine Motorleistung P von 90 % der Auslegungsleistung des Antriebsverbrennungsmotors 3 der Auslegungsgeschwindigkeit V0 entspricht.
  • Der spezifische Kraftstoffverbrauch C nimmt in dem dargestellten Beispiel bei einer Motorleistung P von 75 % der Auslegungsleistung des Antriebsverbrennungsmotors 3 ein Minimum an. Daraus resultiert ein dargestelltes Einsparpotential ΔC des spezifischen Kraftstoffverbrauchs C bei dem Betrieb mit der Auslegungsgeschwindigkeit V0 durch Nutzung gewonnener elektrischer Energie aus Abgasen zur Unterstützung des Antriebsverbrennungsmotors 3. Die Erfindung sieht daher insbesondere vor, denjenigen Anteil gewonnener elektrischer Energie aus Abgasen, der zum Antrieb des Schiffes genutzt wird, derart festzulegen, dass dadurch bei dem Betrieb mit der Auslegungsgeschwindigkeit V0 das Einsparpotential ΔC des spezifischen Kraftstoffverbrauchs C zumindest teilweise realisiert wird, soweit dies die Betriebskosten reduziert. Entsprechendes gilt für den Betrieb mit anderen Geschwindigkeiten V.
  • Die Erfindung zielt somit insbesondere auf eine Reduzierung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs C des Antriebsverbrennungsmotors 3 durch eine entsprechende Unterstützung des Antriebsverbrennungsmotors 3 durch den mit gewonnener elektrischer Energie aus Abgasen angetriebenen Antriebselektromotor, soweit dies die Betriebskosten reduziert. Entsprechend der obigen Ausführungen wird jedoch zur Ermittlung der Aufteilung der gewonnenen elektrischen Energie aus Abgasen vorzugsweise nicht nur der spezifische Kraftstoffverbrauch C des Antriebsverbrennungsmotors 3 berücksichtigt, sondern es werden zusätzlich weitere die Betriebskosten beeinflussende Faktoren berücksichtigt wie ein spezifischer Kraftstoffverbrauch C der Hilfsverbrennungsmotoren 7 und Wartungskosten für die Hilfsverbrennungsmotoren 7 bezogen auf die von ihnen geleistete Arbeit. Dadurch ergibt sich, dass das Einsparpotential ΔC des spezifischen Kraftstoffverbrauchs C des Antriebsverbrennungsmotors 3 geschwindigkeitsabhängig nicht immer bzw. nur teilweise realisiert wird, wenn dies aufgrund der weiteren berücksichtigten Faktoren hinsichtlich der Betriebskostenminimierung vorteilhaft ist, siehe dazu auch Figur 3 und deren Beschreibung.
  • Figur 3 zeigt diagrammatisch und exemplarisch einen spezifischen Kraftstoffverbrauch C eines Antriebsverbrennungsmotors 3 eines Schiffes ohne eine Verwendung gewonnener elektrischer Energie aus Abgasen zum Antrieb des Schiffes und einen spezifischen Kraftstoffverbrauch C1 des Antriebsverbrennungsmotors 3 mit einer zusätzlichen Verwendung gewonnener elektrischer Energie aus Abgasen zum Antrieb des Schiffes sowie eine Antriebsleistung P1, die von dem Antriebsverbrennungsmotor 3 und dem mit gewonnener elektrischer Energie aus Abgasen angetriebenen Antriebselektromotor gemeinsam erbracht wird, jeweils in Abhängigkeit von einer Motorleistung P des Antriebsverbrennungsmotors 3. Die Motorleistung P ist wie in Figur 2 prozentual im Verhältnis zu einer Auslegungsleistung des Antriebsverbrennungsmotors 3 angegeben. Der spezifische Kraftstoffverbrauch C, C1 ist jeweils in der Einheit g/kWh angegeben, die Antriebsleistung P1 ist in der Einheit MW angegeben.
  • In dem dargestellten Beispiel wird gewonnene elektrische Energie aus Abgasen erst ab einer Motorleistung P von 50 % der Auslegungsleistung zum Antrieb des Schiffes genutzt, da bei kleineren Motorleistungen P eine Nutzung gewonnener elektrischer Energie aus Abgasen zum Antrieb des Schiffes aufgrund zu geringer Energieausbeute keine Betriebskostenminimierung liefert. Bei Motorleistungen P, die kleiner als 50 % der Auslegungsleistung sind, wird das Schiff daher nur durch den Antriebsverbrennungsmotor 3 angetrieben, so dass die spezifischen Kraftstoffverbräuche C, C1 für diese Motorleistungen P übereinstimmen.
  • Ab einer Motorleistung P von 50 % der Auslegungsleistung erweist sich die Nutzung gewonnener elektrischer Energie aus Abgasen zum Antrieb des Schiffes als vorteilhaft, so dass für diese Motorleistungen P der spezifische Kraftstoffverbrauch C1 gegenüber dem spezifischen Kraftstoffverbrauch C ohne Nutzung gewonnener elektrischer Energie aus Abgasen zum Antrieb des Schiffes um mehr als 10 g/kWh sinkt.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (12)

  1. Antriebssystem eines Schiffes, umfassend
    - wenigstens einen Antriebsverbrennungsmotor (3) zum Antrieb des Schiffes
    - und eine Energiegewinnungsvorrichtung (9) zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Abgasen wenigstens eines Antriebsverbrennungsmotors (3),
    - wobei das Antriebssystem dazu ausgebildet ist, gewonnene elektrische Energie aus Abgasen wahlweise zum Antrieb des Schiffes zu nutzen oder in ein elektrisches Bordnetz (5) des Schiffes einzuspeisen oder anteilig zum Antrieb des Schiffes zu nutzen und in das Bordnetz (5) des Schiffes einzuspeisen.
  2. Antriebssystem nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet durch wenigstens einen Antriebselektromotor zum Antrieb des Schiffes, wobei der Antriebselektromotor durch gewonnene elektrische Energie aus Abgasen antreibbar ist.
  3. Antriebssystem nach Anspruch 2,
    gekennzeichnet durch wenigstens einen Akkumulator für wenigstens einen Antriebselektromotor, wobei gewonnene elektrische Energie aus Abgasen mittels des Akkumulators speicherbar ist.
  4. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    gekennzeichnet durch wenigstens einen als Zweitakt-Dieselmotor ausgebildeten Antriebsverbrennungsmotor (3) zum Antrieb des Schiffes.
  5. Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei
    - ein momentaner Antriebsenergiebedarf für den Antrieb des Schiffes, ein momentaner Bordnetzenergiebedarf für das Bordnetz (5) des Schiffes und die momentan gewonnene elektrische Energie aus Abgasen ermittelt werden,
    - Betriebskosten für die Deckung des ermittelten Antriebsenergiebedarfs und des ermittelten Bordnetzenergiebedarfs unter Verwendung der gewonnenen elektrischen Energie aus Abgasen und in Abhängigkeit von einer anteiligen Aufteilung der gewonnenen elektrischen Energie aus Abgasen zur Deckung des ermittelten Antriebsenergiebedarfs und des ermittelten Bordnetzenergiebedarfs ermittelt werden,
    - und die gewonnene elektrische Energie aus Abgasen in Abhängigkeit von den ermittelten Betriebskosten anteilig zur Deckung des ermittelten Antriebsenergiebedarfs und des ermittelten Bordnetzenergiebedarfs verwendet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnene elektrische Energie aus Abgasen in Abhängigkeit von den ermittelten Betriebskosten derart anteilig zur Deckung des ermittelten Antriebsenergiebedarfs und des ermittelten Bordnetzenergiebedarfs verwendet wird, dass die Betriebskosten minimiert werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebskosten unter Einbeziehung eines spezifischen Kraftstoffverbrauchs (C, C1) des wenigstens einen Antriebsverbrennungsmotors (3) ermittelt werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebskosten unter Einbeziehung eines spezifischen Kraftstoffverbrauchs (C, C1) wenigstens eines Hilfsverbrennungsmotors (7) zur Energieversorgung des Bordnetzes (5) ermittelt werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebskosten unter Einbeziehung von Wartungskosten für wenigstens einen Hilfsverbrennungsmotor (7) zur Energieversorgung des Bordnetzes (5) bezogen auf die von dem Hilfsverbrennungsmotor (7) geleistete Arbeit ermittelt werden.
  10. Energieversorgungssystem (1) eines Schiffes, umfassend ein Bordnetz (5), ein Antriebssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 und eine Steuereinheit (11) zur Ermittlung einer anteiligen Nutzung der gewonnenen elektrischen Energie aus Abgasen zum Antrieb des Schiffes und zur Einspeisung in das Bordnetz (5).
  11. Energieversorgungssystem (1) nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch wenigstens einen Hilfsverbrennungsmotor (7) zur Energieversorgung des Bordnetzes (5).
  12. Verfahren zum Betrieb eines Energieversorgungssystems (1) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei das Antriebssystem gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9 betrieben wird.
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